ゴムは何度でも使えるか――名大・岡大・弘大、強靱さを生む微粒子の変形を解明

ゴムを「捨てる」前提から変えられるか

使い終えたゴムを、元と同じ性能のゴムに戻す。それは日常の言葉でいえば簡単な循環だが、材料科学では難題とされてきた。ゴムは伸びても元に戻る。その便利な性質を支える分子の網目構造こそが、使用後には材料をほどいて再びつくる作業を難しくするからだ。

名古屋大学、岡山大学、弘前大学の研究グループが10月14日に公表した成果は、この難題に別の角度から迫る。対象は、多数の高分子微粒子を集めてつくるゴム状材料。研究者たちは、丈夫さを左右しているのが微粒子内部の「架橋」の程度と、その粒子が引っ張られたときの変形の仕方であることを明らかにした。研究論文は米国東部時間10月13日、学術誌『ACS Applied Materials & Interfaces』にオンライン公開された。

今回、工場で使える新型タイヤが完成したわけではない。だが、繰り返し使える材料を強くするには、何を設計すればよいのか。実験はその問いに具体的な答えを与えた。

水平リサイクルという高い目標

廃タイヤを細かく砕いて別の製品の充填材にしたり、熱分解によって原料を回収したりする方法はある。しかし、回収できることと、元と同等の性能を保って同じ用途に戻せることは別だ。後者を「水平リサイクル」と呼ぶ。

一般的な加硫ゴムは、長い高分子鎖の間に架橋を設け、弾性と形状の安定性を得る。19世紀の加硫技術はゴムの工業利用を大きく広げた反面、架橋した製品を単純に溶かして再成形することを難しくした。現代の自動車や工場設備が必要とする耐久性と、使用後の再生しやすさは、必ずしも両立しない。

岡山大学の鈴木大介教授らが取り組んできたのは、この設計の出発点を変える方法だ。高分子を小さな粒子として用意し、粒子を寄せ集めて材料を形成する。研究機関の説明によれば、この材料は微粒子へ戻して再び集合させることができる。つまり、従来の一体化した架橋網目とは異なる再利用の経路をつくろうとしている。

８倍に引っ張り、ナノの世界をのぞく

強い素材を開発するには、切れる瞬間だけでなく、そこへ至る変形を知る必要がある。研究グループは、高分子微粒子内部の架橋量を変えた試料を用意し、初期長さの最大８倍まで引っ張った。

観察には二つの手法を組み合わせた。一つは一軸伸長機構を備えた原子間力顕微鏡（AFM）。極めて細い探針で表面の起伏を調べ、伸びている最中の粒子の姿を追う。もう一つは小角Ｘ線散乱（SAXS）。Ｘ線が散らばる様子から、試料内部のナノメートル領域の構造変化を読み解く。表面を直接見る方法と、内部構造を推定する方法を重ねた点に実験の強みがある。

名古屋大学の内橋貴之教授らが開発してきた探針走査型の高速AFMは、試料側に伸長機構を組み込む余地を確保できる。柔らかい試料に過度な損傷を与えず観察するための制御も重要だった。

「硬いほど丈夫」とは限らない

結果は直感に反するところがある。粒子内の架橋が比較的少ない材料では、引っ張られると微粒子全体がなめらかに変形した。架橋が多い材料では内部が変形しにくくなり、粒子表面の粗化や損傷が観察された。架橋を増やすと硬さは増すが、伸びやすさは低下する。その両者の関係を、粒子の実際の振る舞いとして示したのである。

研究機関によれば、こうした微粒子集合体のゴムは、添加物を含まない天然ゴムに匹敵する約50メガジュール毎立方メートル（MJ/m³）の破壊エネルギーを示す。これは材料が破断までに吸収するエネルギーを体積あたりで表す尺度であり、引張強度や耐摩耗性、製品寿命と同じ意味ではない。50という数字だけで自動車用タイヤとしての適性を判定することはできない。

本当の発見は「すべての架橋を減らせばよい」という単純な処方箋ではない。硬さ、伸び、損傷の出方を微粒子レベルで対応づけ、目標性能に合う構造を選ぶための設計図を得たことにある。

資源循環の歴史に加わる新しい設計思想

天然ゴムは植物由来だが、採取、輸送、加工には資源を使う。合成ゴムにも石油化学原料とエネルギーが関わる。しかも実際のゴム製品には充填剤、補強材、油剤など複数の材料が組み合わされることが多い。単一の実験用高分子膜から、複合的な市販製品の再生までには長い距離がある。

しかし、この研究が示した視点には産業上の意味がある。完成した製品を後から無理に分解するより、初めから「戻せる単位」を設計しておく。材料を粒子の集合体として考えれば、利用時の強度と回収後の再形成を同じ設計課題として扱える可能性がある。

日本の自動車部品、工業用シール、振動吸収材、靴底、保護材などには多様な弾性材料が使われる。これらは将来的な応用先を考える上で重要だが、今回の論文が各製品で性能と安全を実証したわけではない。

量産化には残る壁

製造工程のエネルギー消費、回収した材料の汚染、何度も循環させた後の物性、熱や紫外線による劣化、添加剤との相性、価格、規格適合。いずれも事業化の判断を左右する。環境上の優位性を主張するには、原料調達から製造、使用、回収までを比較するライフサイクル評価も必要だ。

なお、大学発表の「水平リサイクル可能」という表現は、この材料系の構造と再利用可能性についての研究結果に基づく。あらゆる廃ゴムが同じ方法で再生できるという意味ではなく、工業的な連続リサイクル設備が完成したという発表でもない。

10月の発表を、すぐに大量の廃タイヤが消える「奇跡の発明」として扱うべきではない。価値があるのは、なぜ強いのかという基礎的な問いを実験でほどき、将来の研究と設計が検証できる条件を明確にしたことだ。

次の問いは、何回使えるか

数百ナノメートルの粒子が引き伸ばされるとき、どこが動き、どこが傷むのか。その小さな差が、材料全体の壊れ方を決める。目に見えない構造を観察することが、資源を無駄にしないものづくりにつながるかもしれない。

研究チームが次に示すべきなのは、繰り返し再形成した後の性能の推移、製品形状での耐久性、製造コスト、そして現実の回収条件である。耐久性か再利用性か、という二者択一を越えられるか。答えはまだ出ていないが、その答えを探すための地図は以前より詳しくなった。